Paleogeographic reconstructions in the western mediterranean and implications for permian pangea configurations

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte Alfred Wegener
seine allgemein bekannte Rekonstruktion der Kontinente, indem er
die Fragmente kontinentaler Kruste durch Schließung der großen
Ozeane entlang ihrer heutigen Küstenlinien zusammenfügte, so dass
alle Kontinente zu einer Landmasse vereint waren. Den
resultierenden Superkontinent nannte er "Pangäa" (Wegener, 1920).
In dieser Rekonstruktion liegen sich Nord- und Südamerika gegenüber
und Nordwestafrika grenzt an die Südostküste Nordamerikas. Lange
Zeit nahm man an, dass die Paläogeographie dieses Superkontinents
sich im Laufe seiner Existenz nicht bedeutend verändert hat,
sondern dass die Kontinente sich im Jura im Wesentlichen aus der
gleichen Konfiguration heraus voneinander gelöst haben, zu der sie
sich ursprünglich im Paläozoikum zusammengefunden hatten. In der
Tat gibt es vielfältige geologische, paläontologische und
geophysikalische Hinweise dafür, dass Wegeners Pangäa-Konfiguration
von der späten Trias bis in den frühen Jura Bestand hatte. In den
späten Fünfzigerjahren des vergangenen Jahrhunderts entwickelte
sich mit der Paläomagnetik eine Methode, die es ermöglicht, die
Bewegungen der Kontinente über das Alter des ältesten bekannten
Ozeanbodens hinaus zu rekonstruieren. Aufgrund des Dipolcharakters
des Erdmagnetfeldes gilt das jedoch nur für die Rekonstruktion von
paläogeographischen Breitenlagen, die Lage bezüglich der
Längengrade kann mit Hilfe des Erdmagnetfeldes nicht eindeutig
bestimmt werden. Eine nicht unerhebliche Anzahl paläomagnetischer
Studien hat gezeigt, dass Wegeners Pangäarekonstruktion, auch
Pangäa A genannt, mit globalen paläomagnetischen Daten in
prä-triassischer Zeit nicht kompatibel ist. Zwingt man die Nord-
und Südkontinente Pangäas, Laurasia und Gondwana für diese Zeit in
die Pangäa A Konfiguration, so ergibt die auf paläomagnetischen
Daten basierende paläogeographische Rekonstruktion ein
signifikantes Überlappen kontinentaler Krustenanteile (siehe z. B.
Van der Voo (1993); Muttoni et al. (1996, 2003) und darin zitierte
Werke). Ein solches Überlappen lässt sich jedoch mit grundlegenden
geologischen Prinzipien nicht vereinen. Im Lauf der Jahrzehnte
wurden vielfältige alternative prä-triassische paläogeographische
Pangäarekonstruktionen erstellt, die im Einklang mit den
paläomagnetischen Daten sind. Der Hauptunterschied im Vergleich
dieser Rekonstruktionen zur klassischen Pangäa A Konfiguration
liegt in der Lage der Südkontinente relativ zu den Nordkontinenten.
Um den kontinentalen Überlapp zu vermeiden, werden die
Südkontinente unter Beibehaltung ihrer Breitenlage um ca. 30
Längengrade relativ zu den Nordkontinenten weiter im Osten
platziert, so dass Nordwestafrika gegenüber Europa zu liegen kommt
(Pangäa B, Irving (1977)). Da - wie erwähnt - der Dipolcharakter
des Erdmagnetfeldes keine Aussagen über die Position der Kontinente
bezüglich der Längengrade zulässt, ist dies mit den
paläomagnetischen Daten vereinbar. Die alternativen Konfigurationen
müssen jedoch alle vor dem Auseinanderbrechen Pangäas im Jura
wieder in die für diesen Zeitraum allgemein akzeptierte
Wegener-Konfiguration zurückgeführt werden. Dies geschieht -
wiederum im Einklang mit den paläomagnetischen Daten - unter
Beibehaltung der Breitenlage der Kontinente entlang einer
postulierten kontinentalen dextralen Scherzone. Der Versatz von
2000 bis 3000 km fand laut Muttoni et al. (2003) in einem Zeitraum
von ca. 20 Ma im frühen Perm statt. Dadurch ergibt sich eine
entsprechend hohe Versatzrate von 10 bis 15 cm/a. Diese Arbeit
befasst sich im Rahmen mehrerer paläomagnetischer Studien mit der
Suche nach dieser großen Scherzone, deren Existenz seit Jahrzehnten
umstritten ist. Der große Versatz wurde vermutlich von mehreren
Störungssegmenten aufgenommen, die eine mehrere hundert Kilometer
breite diffuse und segmentierte Scherzone bildeten.
Paläogeographische Rekonstruktionen legen nahe, dass die Scherzone
unter Anderem den Bereich des heutigen Mittelmeerraumes umfasst hat
(Arthaud and Matte, 1977). Die Tizi-N'-Test-Verwerfung und ihre
westliche Fortsetzung, die Süd-Atlas-Störung, sowie Verwerfungen
entlang der nördlichen Pyrenäen und innerhalb des Armorikanischen
Massivs (Bretagne) bilden demnach die
Hauptblattverschiebungssysteme, die die Scherzone begrenzen.
Krustenblöcke, die in entsprechend großen Störungssystemen liegen,
können um vertikale Achsen rotieren (Nelson and Jones (1987) und
darin zitierte Werke). Diese Rotationen können mit Hilfe der
Paläomagnetik quantifiziert werden. Kapitel 1 leitet in die
vorstehend beschriebene Problematik ausführlich ein und beleuchtet
insbesondere die einzelnen Abschnitte dieser Arbeit. Somit wird
deutlich, wie die Ergebnisse der Studien, aus denen sich die
vorliegende Arbeit zusammensetzt, aufeinander aufbauen und einen
konsistenten Lösungsansatz für die eingangs beschriebene Diskrepanz
zwischen den Polwanderkurven Laurasias und Gondwanas entwickeln.
Kapitel 2 beschreibt eine paläomagnetische Studie, die im
Toulon-Cuers Becken, Südfrankreich durchgeführt wurde. Das
Toulon-Cuers Becken entstand während einer Phase der Extension im
südlichen variszischen Gürtel Europas, und ist sukzessive mit
Sedimenten verfüllt worden. Außer mächtigen permo-triassischen
Sedimentpaketen finden sich hier auch Laven und Pyroklastika als
Produkte eines extensionsgetriggerten Vulkanismus, die ebenfalls
Gegenstand der hier durchgeführten Studie sind. Die Ergebnisse der
Untersuchungen können sehr gut mit bereits vorhandenen
Literaturdaten in Einklang gebracht werden und zeigen, dass es zur
fraglichen Zeit durchaus Bewegungen zwischen klar definierten
Krustenblöcken gab, die Zeugen einer generellen Mobilität der
Kruste in diesem Bereich sind. Es handelt sich hierbei um
Blockrotationen um vertikale Achsen, so wie sie im Spannungsfeld
einer kontinentalen Transformstörung zu erwarten sind. Dabei werden
Rotationen im und gegen den Uhrzeigersinn dokumentiert, woraus eine
komplexe Geometrie und Anordnung der Krustenblöcke abgeleitet
werden kann. Hieraus wird ein tektonisches Modell entwickelt,
welches mit gängigen Modellen (siehe McKenzie and Jackson (1983) in
Nelson and Jones (1987)) in Einklang gebracht wird. Die
triassischen paläomagnetischen Daten aus dem Gebiet belegen im
Gegensatz dazu keine Rotationen und legen daher den Schluss nahe,
dass die Krustenmobilität in dem Bereich zu Beginn des Mesozoikums
zum Erliegen gekommen war. Somit belegt diese Studie deutlich, dass
es im von Muttoni et al. (2003) postulierten zeitlichen Rahmen
Hinweise für eine generelle Mobilität innerhalb Pangäas gibt. Unter
Berücksichtigung dieser Ergebnisse wurde die folgende Studie an
magmatischen Ganggesteinen ("Dykes") in Sardinien (Italien)
durchgeführt, um die laterale räumliche Dimension der Scherzone
besser abschätzen zu können. Kapitel 3 stellt die Ergebnisse dieser
Studie vor. Die Dykes treten schwarmförmig auf und sind in einem
Zeitraum zwischen 298 ± 5Ma und 270 ± 10Ma in den
Korsika-Sardinien-Batholith intrudiert (Atzori and Traversa, 1986;
Vaccaro et al., 1991; Atzori et al., 2000). Zusätzlich zu den
Rotationen, die auch hier mittels paläomagnetischer Daten
nachgewiesen werden konnten, gibt die Orientierung der einzelnen
Dykeschwärme Aufschluss über das tektonische Spannungsfeld, das
während der Platznahme der Dykes vorherrschte. Diese kombinierten
Ergebnisse bestätigen und ergänzen die Ergebnisse der
vorhergehenden Studie in Südfrankreich. Ergänzend zu den
Untersuchungen an den Ganggesteinen Sardiniens werden Daten von
permischen Sedimenten und Vulkaniten präsentiert, die in
verschiedenen Regionen Sardiniens beprobt wurden (Kapitel 4). Die
paläomagnetischen Daten belegen, dass Sardinien in mindestens zwei
Krustensegmente zerlegt war, welche relativ zueinander und auch
relativ zur europäischen Polwanderkurve rotiert sind. Auch hier
wiederholt sich das Muster von Rotationen im und gegen den
Uhrzeigersinn. In dieser Studie werden die Ergebnisse aus den
vorangehenden Kapiteln sowie aus der weiterführenden Literatur
zusammengefasst, so dass ein zeitlich und räumlich verfeinertes
Bild der Krustenblöcke im westlichen Mittelmeerraum zur Zeit des
frühen Perm entsteht. Durch die verbesserte Definition der
Geometrie der einzelnen Blöcke kann das in Kapitel 2 beschriebene
tektonische Modell bestätigt werden. Kapitel 5 befasst sich
abschließend mit dem zeitlichen Rahmen der Aktivität entlang der
fraglichen Scherzone. Ausgehend von der Annahme, dass sich die
Kontinente im Jura bereits in einer Pangäa A Konfiguration befunden
haben, sollten die paläomagnetischen Daten von jurassischen
Gesteinen keine Hinweise auf Scherbewegungen geben. Hierzu wird
eine Studie an jurassischen Sedimenten Sardiniens vorgestellt. Die
paläomagnetischen Daten der untersuchten Krustensegmente belegen,
dass es in post-jurassischer Zeit in Sardinien keine
Blockrotationen der einzelnen Segmente relativ zueinander gab und
Sardinien somit ab jener Zeit als tektonisch einheitlicher Block
behandelt werden muss. Des Weiteren zeigen die paläomagnetischen
Pole, die aus den paläomagnetischen Richtungen für eine
Referenzlokalität berechnet wurden, keine signifikante Abweichung
von der Polwanderkurve des europäischen Kontinents nach Besse and
Courtillot (2002). Diese Kohärenz der paläomagnetischen Daten
bestätigt die weithin akzeptierte Beobachtung, dass sich Pangäa zur
Zeit des Jura bereits in der Wegener Konfiguration (Pangäa A)
befunden hat und untermauert die Aussagekraft paläomagnetischer
Studien in diesem Zusammenhang. Zugleich kann anhand dieser Daten
ausgeschlossen werden, dass die alpidische Orogenese die Ursache
für bedeutende Krustenblockrotationen in dieser Region gebildet
hat. Die Ergebnisse der oben genannten Studien werden in dieser
Arbeit zusammengeführt. Im Verbund mit Daten aus der Literatur
untermauern sie, dass es zwischen dem frühen Perm und der frühen
Trias entlang eines ausgedehnten Gürtels, der mindestens vom
französischen Zentralmassiv über Südfrankreich bis nach Korsika-
Sardinien reichte, bedeutende Krustenbewegungen in Form von
Blockrotationen innerhalb Pangäas gab. Die vorliegende Synthese
schafft somit ein konsistentes Bild der generellen Krustenmobilität
zwischen den nördlichen Teilen Pangäas (Laurasia) und den
Südkontinenten (Gondwana). Der durch die präsentierten Studien
abgesteckte zeitliche Rahmen korreliert mit den Abschätzungen von
Muttoni et al. (2003) zur Transformation zwischen verschiedenen
Pangäakonfigurationen. Diese Arbeit bestätigt außerdem, dass das
mittlere Perm eine Zeit großräumiger Reorganisation der
kontinentalen Platten war, die von anhaltender magmatischer
Aktivität begleitet war (Deroin and Bonin, 2003; Isozaki, 2009).
Anhand der hier vorgestellten neuen Daten in Kombination mit
bereits bekannten paläomagnetischen Daten aus der Region ergibt
sich ein klares Muster von Rotationen im und gegen den
Uhrzeigersinn von einzelnen störungsbegrenzten Krustenblöcken.
Diese Arbeit belegt, dass die Paläomagnetik ein hervorragendes
Instrument zur Quantifizierung jener Krustenblockrotationen ist,
die oftmals die einzigen verbleibenden Indizien für ehemals
großräumige Scherzonen bieten, nachdem die Störungen selbst
aufgrund vielfältiger Prozesse nicht mehr aufgeschlossen sind
(Umhoefer, 2000). Die tektonischen Modelle von McKenzie and Jackson
(1983) in der Interpretation nach Nelson and Jones (1987) werden
als Erklärungsgrundlage für die beobachteten Rotationen
herangezogen und erweitert.